向家坝水库航运智能预警策略研究

王 林，赵培朋

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

水电站日调节与防洪调度产生的非恒定流使下游河道水位、流速、比降等变幅比天然河道变化大，不能满足航运要求[1]。近年来，参考三峡水电站和彭水电站调峰流量对航运的影响[2-4]，张绪进等[5]、曹民雄等[6]、陈刚等[7]学者针对水电站日调节与防洪调度对下游航运条件的影响做了大量研究，发现主要影响为向家坝水电站日常调峰和汛期泄洪，得出了流量与水位变幅的定量约束条件，为实际调度过程提供了建设性指导意见。

向家坝水电站坝址位于四川省宜宾市叙州区和云南省水富市交界的金沙江峡谷出口处，电站以发电为主，兼有防洪、航运、灌溉、拦沙及反调节等综合功能。向家坝水电站航运调度的任务是保障枢纽通航建筑物及设施的正常运用，满足设计条件下航运安全和畅通的要求，在服从防洪调度要求的前提下，与发电调度相协调，保障航运贯通。为更好地控制水位变幅，做好精确调度，完成航运调度任务，本文通过分析向家坝下游水位影响因素，确定了相关约束条件，提出了航运智能预警策略。

1 向家坝下游水位约束条件分析

1.1 电站调峰约束

为研究电站在不同基础流量下，不同调峰幅度对下游水位变化的相关性，电站分别于2013年12月、2014年10月，分阶段组织开展了向家坝水电站大负荷调峰试验，验证《金沙江向家坝水电站水库运用与电站运行调度规程(试行)》规定的下游水位小时变幅相应的电站调峰能力。试验结果表明：向家坝水电站在日常调峰过程中，下游近坝河段日水位变幅随日流量变幅的增加而增大；水位变率则主要受电站下泄流量增减率的影响，流量增减变率越大，则水位变率也越大[8]。向家坝水电站按照调度要求参与系统调峰，在不同的流量等级下，要适当控制调峰的速度和深度，避免下游水位出现较大的变幅，影响航运安全。目前电站调峰运行按照下游水位日变幅3 m控制，小时变幅按照1 m进行控制，有较大的安全边界。

1.2 电站泄洪约束

为研究向家坝水电站发电、泄洪等不同运行工况下对电站近区航运的影响，根据《金沙江向家坝水电站升船机特殊单项工程验收大纲》及《金沙江向家坝水电站升船机试通航前验收鉴定书》的要求，于2018年组织开展了向家坝升船机两个阶段的实船试航试验，为向家坝升船机泄洪工况下通航提供了可靠的数据支撑[9]。依据实验结果，向家坝通航流量约束条件可调整为：① 1 000 t级标船：最大通航流量为8 500 m3/s(枢纽泄洪不超过2 200 m3/s)；② 500 t级以上非标船：最大通航流量为7 500 m3/s(枢纽泄洪不超过1 000 m3/s)。当电站出库流量接近通航流量上限时，需要做好来水的预测和提前预警，避免水位变幅越限。

2 向家坝航运预警策略

本文分析了向家坝水电站调峰和泄洪对航运的影响，确定了保障航运安全的约束条件。其中，处于枯水期时，向家坝下游的非恒定流主要来源于电站调峰运行，而汛期非恒定流主要来源于防洪调度中配合防洪而增减下泄流量。在调峰或防洪调度中，当向家坝下游水位和流量接近上限或者下限时，为使值班员更快掌握相关信息，尽快调整梯级电站运行方式，满足电站运行要求，保障航运安全，有必要建立1套航运预警机制，对越限情况发出报警信息。

2.1 约束条件

根据《向家坝升船机调度运行规定》要求：向家坝水电站上游最高通航水位为380 m，上游最低通航水位为370 m；下游最高通航水位为277.25 m，相应流量12 000 m3/s，下游最低通航水位为265.8 m，相应流量1 200 m3/s。日调峰运行时，下游水位最大日变幅按不超过4.5 m/d控制，结合调峰试验建议与其他航运相关规定[10]，本文最大日变幅暂按不超过3 m控制。鉴于最大小时变幅对发电运行调度影响较大，最大小时变幅按不超过1.0 m运行。

为提高白鹤滩蓄水保证率，优化向家坝下泄流量，枢纽管理中心向溪管理分中心于2021年2月21日00∶00～24∶00开展了向家坝下泄流量1 500 m3/s调度实践，全厂出力维持1 595 MW，出库流量基本维持1 560 m3/s，对应的下游水位稳定值为265.88 m左右。因此，本文下游最低通航水位对应的流量取1 560 m3/s。

2.2 预警策略

为实现精确预警，采取对水位和流量分别制定预警策略的办法，提出向家坝上游水位、下游水位、下游水位变幅和出库流量越限预警策略。此外，在实时调控运行中，调控部门还承担水情信息发布任务，针对不同的下游水位变幅，发布不同等级预警信息，因此在制定预警策略时，还需要实现对水位变幅进行分级预警。

2.2.1 上游水位越限预警策略

向家坝水电站上游最高通航水位为380 m，最低通航水位为370 m，因此，设置报警给定值上限为380 m，下限为370 m。当向家坝上游水位h低于370 m或者高于380 m时，系统发出水位越限报警提醒；当水位没有越限时，判断水位是否接近上限或者下限，设置0.5 m裕度，以应对突发情况(如溪洛渡-向家坝区间来水突然增大)，若水位低于370.5 m或者高于379.5 m，则发出预警，提醒值班员关注向家坝上游水位。

2.2.2 下游水位越限预警策略

向家坝下游最高通航水位为277.25 m，最低通航水位为265.8 m。当向家坝下游水位h低于265.8 m或者高于277.25 m时，系统发出水位越限报警提醒；当水位没有越限时，为判断水位是否接近上下限，设置0.5 m裕度，以应对突发情况(如溪洛渡-向家坝区间来水突然增大)，若水位低于266.3 m或者高于276.75 m，则发出预警，提醒值班员加强关注向家坝下游水位，特别是接近277.25 m时，要重点关注横江和岷江对下游水位的顶托。

2.2.3 下游水位变幅越限预警策略

向家坝水电站日调峰运行时下游水位最大日变幅暂按不超过3 m控制，超过3 m/d但小于4.5 m/d属于重要水情，超过4.5 m/d属于紧急水情，最大小时变幅暂按不超过1.0 m/h运行。设置日变幅ΔH上限为3 m/d，小时变幅Δh上限为1 m/h，本策略先判断是否二者均满足要求，即判断小时变幅Δh不大于1 m且日变幅ΔH不大于3 m是否同时满足，若满足，暂不报警；若不满足，则进一步判断二者越限情况，若是ΔH大于3 m，则还需判断是否超过4.5 m，并发出相应报警信息。当水位日变幅ΔH超过3 m但未超4.5 m时，提醒发送重要水情信息，超过4.5 m时，提醒发送紧急水情信息。向家坝下游水位变幅越限预警策略见图1。

图1 下游水位变幅越限预警策略Fig.1 Early warning strategy of downstream water level fluctuation limit

2.2.4 出库流量预警策略

向家坝升船机最大通航流量按7 500 m3/s和8 500 m3/s分级控制，此外，对应的泄洪流量分别按不超1 000 m3/s和2 200 m3/s控制。向家坝下游最大通航流量按12 000 m3/s控制，最低通航流量按1 560 m3/s控制。本预警策略首先判断出库流量Q是否满足不小于1 560 m3/s且不大于8 500 m3/s，若不满足，则进行二次校验，即再判断Q小于1 560 m3/s或大于8 500 m3/s是否成立，若成立，则进一步判断出库流量Q越上限还是下限，发出相应预警，若不成立，则返回第一步。若Q满足不小于1 560 m3/s且不大于8 500 m3/s，则进一步判断是否满足1 000 t级标船通航要求，即泄洪流量Q泄不大于2 200 m3/s是否成立，若不成立，则进一步判断越限情况并发出相应报警信息；若成立，则进一步判断是否满足500吨级以上非标船通航要求，即Q不大于7 500 m3/s且Q泄不大于1 000 m3/s是否成立，若不成立，则进一步判断越限情况并发出相应报警信息。向家坝出库流量预警策略见图2。

图2 出库流量预警策略Fig.2 Early warning strategy of outflow

3 结 语

针对向家坝电站调峰和泄洪对向家坝航运的影响，根据相关规定及试验情况，本文确定了向家坝水库航运约束条件。根据约束条件，向家坝水库航运智能预警策略以流量和水位作为预警量，分别制定了向家坝上游水位、下游水位、下游水位变幅和出库流量越限预警策略，当相应数据越限时，及时发出预警信息提醒值班员采取控制措施，保障航运安全。该策略可作为智能化水库调度的重要组成部分，既能确保水库调度的安全性和精准性，又能提高水库调度的可靠性，帮助水库调度值班人员及时发现水库运行越限情况，缩短事故响应时间，可为水库防洪调度、兴利调度奠定坚实的基础。